Методические особенности изучения темы "Аминокислоты" в школьном курсе биологии

17

Введение

По важности роли, которую играют аминокислоты в функционировании всех живых организмов, они занимают одно из первых мест. Поэтому в курсах химии и биологии этим соединениям уделяется так много внимания. Прежде всего, необходимо знать формулы и названия важнейших аминокислот, иметь представление о синтезе и химических свойствах этих соединений, уметь составлять из них пептидную цепь - структурную основу полипептидов, или белков.

Глава 1. Теоретическая поддержка темы "аминокислоты"

Учитель. На прошлом уроке мы познакомились с нуклеиновыми кислотами, их строением и биологической ролью. Сегодня мы повторим и закрепим, а кое в чем расширим знания о ДНК и РНК. Начнем с ответов на вопросы.

Когда и кем были открыты нуклеиновые кислоты?

Нуклеиновые кислоты были открыты в 1869 г. швейцарским врачом Ф. Мишером в ядрах лейкоцитов, входящих в состав гноя. Впоследствии нуклеиновые кислоты были обнаружены во всех растительных и животных клетках, бактериях, протистах, грибах и вирусах.

Какова биологическая роль нуклеиновых кислот?

Они играют центральную роль в хранении и передаче наследственной информации о свойствах организма.

Какие виды нуклеиновых кислот существуют в природе?

В природе существует два вида нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновые, или ДНК, и рибонуклеиновые, или РНК.

Что отражает различие в их названиях? Молекула ДНК содержит сахар дезоксирибозу, а молекула РНК - рибозу.

Какие разновидности природных ДНК и РНК вы знаете? В настоящее время известны хромосомальная и внехромосомальная ДНК и рибосомальная, информационная и транспортная РНК, которые участвуют в синтезе белка. ДНК включает множество генов, определяющих различия в метаболизме. Например, ДНК бактериальной клетки кишечной палочки содержит несколько тысяч различных генов, а у животных и растений - много больше, причем каждый вид организмов имеет характерный только для него набор генов. Однако многие гены - общие для всех организмов, что подтверждает общность происхождения живых существ.

(Учитель вызывает к доске ученика, который по ходу урока заполняет таблицу "Сравнительная характеристика ДНК и РНК", а остальные учащиеся заполняют такую же таблицу в тетради)

Где в клетке находятся нуклеиновые кислоты?

Примерно 99% всей ДНК находится в хромосомах клеточного ядра, кроме того, ДНК имеется в митохондриях и хлоропластах. РНК входит в состав ядрышек клеточного ядра, а также содержится в рибосомах, митохондриях, пластидах и цитоплазме.

Какое строение имеют молекулы ДНК и РНК?

Молекула ДНК состоит из двух правозакрученных спиральных цепочек полинуклеотидов. Недавно была открыта левозакрученная ДНК. РНК состоит из одной спирально закрученной полинуклеотидной цепочки.

Полинуклеотидная цепь ДНК состоит из нуклеотидов. А что является структурными компонентами нуклеотидов?

В состав любого нуклеотида ДНК входит одно из четырех азотистых оснований: аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т) и цитозин (Ц), а также сахар дезоксирибоза (C₃H₁₀O₄) и остаток фосфорной кислоты.

Какова общая структурная формула нуклеотида? Различаются ли нуклеотиды между собой?

Они отличаются только азотистыми основаниями, которые попарно имеют близкое химическое строение: Ц подобен Т (они относятся к пиримидиновым основаниям), А подобен Г (они относятся к пуриновым основаниям). А и Г по размерам несколько больше, чем Т и Ц. В ДНК входят нуклеотиды только четырех видов.

Чем отличаются составы нуклеотидов ДНК и РНК?

РНК построена из тех же азотистых оснований, что и ДНК, но вместо тимина в ее состав входит урацил. Кроме того, углевод нуклеотидов РНК представлен рибозой.

Как происходит соединение нуклеотидов между собой в полинуклеотидной цепи?

В полинуклеотидной цепи соседние нуклеотиды связаны между собой ковалентными связями, которые образуются между дезоксирибозой (в молекуле ДНК) или рибозой (в молекуле РНК) одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого нуклеотида.

Чем объясняется огромное разнообразие генов в составе молекулы ДНК? Хотя ДНК содержит всего четыре типа разных нуклеотидов, благодаря различной последовательности их расположения в длинной цепочке достигается огромное разнообразие их сочетаний в молекуле.

Как объединяются две полинуклеотидные цепи в единую молекулу ДНК? Между азотистыми основаниями нуклеотидов разных цепей образуются водородные связи (между А и Т - две, а между Г и Ц - три). При этом А соединяется водородными связями только с Т, а Г - с Ц. В результате у всякого организма число адениловых нуклеотидов равно числу тимидиловых, а число гуаниловых - числу цитидиловых. Эта закономерность получила название правила Чаргаффа. Благодаря этому свойству последовательность нуклеотидов в одной цепочке определяет их последовательность в другой, т.е. цепи ДНК являются как бы зеркальными отражениями друг друга. Такое избирательное соединение нуклеотидов называется комплементарностью, и это свойство лежит в основе самосборки новой полинуклеотидной цепи ДНК на базе исходной. Помимо водородных связей в стабилизации структуры двойной спирали участвуют и гидрофобные взаимодействия.

Одна из цепей ДНК имеет структуру А-Т-Ц-Ц-Г-А-А-Ц-Т. Используя принцип комплементарности, постройте вторую цепь.

Т-А-Г-Г-Ц-Т-Т-Г-А.

Как происходит репликация (самоудвоение) молекулы ДНК? Репликация начинается с того, что двойная спираль ДНК временно раскручивается. Под действием фермента ДНК-полимеразы происходит присоединение свободных нуклеотидов к одинарным полинуклеотидным цепям. Каждая полинуклеотидная цепь играет роль матрицы для новой комплементарной цепи, которая образуется после соединения нуклеотидов между собой. В результате из одной молекулы ДНК получаются две новые, у каждой из которых одна половина происходит от родительской молекулы, а другая является вновь синтезированной. При этом новые цепи синтезируются сначала в виде коротких фрагментов, которые затем "сшиваются" в длинные цепи специальными ферментами. Две новые молекулы ДНК представляют собой точные копии исходной молекулы. Этот процесс лежит в основе передачи наследственной информации, которая осуществляется на двух уровнях: клеточном и молекулярном.

Чем объясняется высокая точность репликации ДНК? Высокая точность обеспечивается специальным комплексом белков - "репликативной машиной". Эти белки выполняют три функции:

выбирают нуклеотиды, способные образовывать комплементарную пару с нуклеотидами родительской, матричной, цепи;

катализируют образование ковалентной связи между каждым новым нуклеотидом и концом растущей цепи;

исправляют ошибки сборки цепи, удаляя неправильно включившиеся нуклеотиды. Число ошибок "репликативной машины" составляет ничтожную величину - менее одной на 10⁹ нуклеотидов.

Какие бывают ошибки "репликативной машины" и к чему они приводят? В некоторых случаях "репликативная машина" пропускает или вставляет несколько лишних оснований, включает Ц вместо Т или А вместо Г. Каждое такое изменение в последовательности нуклеотидов молекулы ДНК - генетическая ошибка, называемая мутацией. Такие ошибки будут воспроизводиться во всех последующих поколениях клеток, что может приводить к разным последствиям, как положительным, так и негативным.

Каков диаметр и шаг спирали ДНК?

Диаметр спирали ДНК - 2 нм, шаг спирали - 3,4 нм, каждый виток содержит 10 пар нуклеотидов.

Какова длина и масса нуклеиновых кислот?

Длина молекулы нуклеиновой кислоты может достигать сотен тысяч нанометров, т.е. около 0,1 мм. Это значительно больше самой крупной молекулы белка, которая в развернутом виде достигает в длину 100-200 нм. Масса молекулы ДНК составляет около 6?10^-12 г.

К концу опроса на доске и в тетрадях учащихся таблица "Сравнительная характеристика ДНК и РНК" приобретает следующий вид.

Учитель. Теперь все закрыли тетради и внимательно слушаем группу ребят, которые подготовили совместное сообщение. (На уроке дается материал, прошедший проверку и дополненный учителем)

Выступления докладчиков.

1-й ученик. Мы назвали наше сообщение "Ее величество ДНК".

Началось все еще в прошлом веке, когда никому не известный швейцарский врач Ф. Мишер опубликовал в 1869 г. в берлинском "Журнале медицинской химии" свою знаменитую статью о выделении нуклеина из лейкоцитов - белых клеток крови больных. Слово это образовано от латинского "нукс" - ядро ореха, а окончание "-ин" показывает, что он содержит азот, то есть относится к азотистым веществам, подобно белкам.

В 1879 г. на нуклеин Мишера обратил внимание крупный немецкий химик К. Альбрехт Коссель, которого было бы вернее назвать биохимиком. Коссель выяснил причину подагры ("боли в ногах" в дословном переводе), которая возникает в результате отложения в суставах нуклеина. Он обнаружил в нуклеине вещество желтого цвета, производное мочевой кислоты. Оказалось, что это гуанин, впервые выделенный в 1858 г.А. Штрекером из перуанского гуано - помета птиц, ценного азотного удобрения.

Коссель также выделил из клеток тимуса тимин и аденин. Названия эти образованы от греческих слов, поэтому нужно пояснить их смысл. Железы греки называли "аден", что означало "плотный", "твердый" (вспомним, что лимфатические железы при воспалении вспухают и твердеют). Многим также приходилось слышать об операции удаления аденоидов, то есть ненормально разросшихся железок в носоглотке. Тимус, или зобная железа, содержит огромное количество лимфоцитов, защищающих нас от патогенных бактерий и вирусов, поэтому его называют главной железой иммунной системы. Тимус называют еще вилочковой железой, потому что он по форме похож на "вилочку" соцветия тимьяна, или чабреца. Так тимин получил свое название. Позже из клеток тимуса выделили четвертое соединение. Оно получило название "цитозин" от греческого слова "цито" - клетка.

Так завершилось выделение четырех азотсодержащих веществ, входящих в состав нуклеина. Коссель считал, что нуклеин построен из четырех выделенных им веществ - тетрад: аденина, гуанина, цитозина, тимина. В 1910 г. он получил Нобелевскую премию за открытия в области медицины. В Берне одновременно с Косселем работал русский химик Ф. Левен, также занимавшийся нуклеином. Левен установил, что нуклеин кроме азотистых оснований содержит остаток фосфорной кислоты и сахар дезоксирибозу, то есть "рибозу без кислорода".

Рибозу вначале получил синтетическим путем немецкий химик Э. Фишер, удостоенный за изучение сахаров Нобелевской премии по химии в 1902 г. При исследовании ее структуры, он обнаружил, что в состав ее молекулы входят пять атомов углерода, и этот сахар очень похож на арабинозу - сахар, выделенный из гуммиарабика, или "арабской смолки", добываемой из эфироносов, произрастающих на Арабском Востоке. Несколько изменив название арабинозы, Фишер назвал новый сахар рибозой.

В 1909 г. Левену удалось выделить рибозу из нуклеина. На выделение дезоксирибозы у него ушло еще 20 лет! Итак, он впервые установил полный состав мономеров, из сочетания которых построен нуклеин, или, как уже тогда стали говорить, нуклеиновые кислоты. Тип нуклеотида определяет азотистое основание (А, Ц, Т, Г), которое соединено с дезоксирибозой, а та, в свою очередь, соединена с фосфорной кислотой, которая и придает нуклеину кислотные свойства.

К тому времени уже научились выделять две нуклеиновые кислоты: тимусную и дрожжевую. В первой, выделяемой из ядер лимфоцитов тимуса, нуклеотиды имели описанное выше строение, например: А (или Г, Ц, Т) - дезоксирибоза - фосфорная кислота. Дрожжевую нуклеиновую кислоту выделяли из клеток дрожжей, имеющих обширную цитоплазму и маленькое ядро. У этой нуклеиновой кислоты были следующие отличия. Вместо тимина в нее входил урацил (У), производное мочевой кислоты ("уреи"), а вместо дезоксирибозы - просто рибоза. Таким образом общая структура этой нуклеиновой кислоты: У - рибоза - фосфорная кислота.

Левен придерживался точки зрения Косселя на строение нуклеиновой кислоты: тетрада азотистых оснований - главное в строении молекулы. Он считал, что четверки нуклеотидов монотонно повторяются в цепи нуклеиновой кислоты и не несут никакой информации. К сожалению, такой взгляд значительно затормозил весь ход последующих исследований нуклеиновых кислот - авторитет Коссела и Левена оказал в данном случае плохую услугу развитию биологии.

2-й ученик. С обоими учеными был категорически не согласен Роберт Фельген. Он родился в 1884 г. в семье рабочего-текстильщика и сызмальства был приобщен к миру красок, что сыграло, как мы увидим дальше, большую роль в его научной жизни. В 1905 г. Фельген окончил медицинский факультет в г. Фрайбурге, где в свое время учился Ломоносов, после чего работал в госпитале приморского города Киля. Там он написал диссертацию, посвященную лечению подагры, развивающейся, как уже говорилось, в результате отложения нуклеина в суставах конечностей. Затем Фельген перешел в Физиологический институт в Берлине, где начал работать в отделе, руководимом известным химиком Г. Штойделем.

Здесь Фельген совершенствует метод выделения тимусной нуклеиновой кислоты и очистки ее от следов белка. Вскоре после этого он делает самое большое свое открытие: в 1914 г. он научился окрашивать нуклеиновую кислоту с помощью особого красителя. При этом ядерная нуклеиновая кислота приобретала интенсивный розовый цвет, а дрожжевая, или цитоплазматическая, нуклеиновая кислота не окрашивалась. Поэтому Фельген назвал реакцию окрашивания нуклеарной, или ядерной, реакцией. Такая избирательность в окраске обусловлена различиями химического строения рибозы и дезоксирибозы.

Таким образом Фельгену удалось разделить нуклеиновые кислоты на ядерную и цитоплазматическую. Свои результаты он изложил участникам Физиологического конгресса в Тюбенгене, но его сообщение было встречено со скепсисом. Только Коссель поддержал молодого исследователя. В 1937 г. Фельген усовершенствовал свой метод и провел нуклеарную реакцию с препаратом, выделенным из проростков ржи. Тем самым он опроверг существовавшее тогда представление о делении нуклеиновых кислот на тимусные и дрожжевые, или животные и растительные. И те, и другие содержали и ядерные, и цитоплазматические нуклеиновые кислоты. Но опять никто не обратил внимания на это открытие. Время нуклеиновых кислот еще не наступило.

Дальнейшие события в этой полувековой драме разворачивались в Германии, Англии и Америке. В 1928 г. увидела свет небольшая работа Ф. Гриффита, микробиолога из Оксфорда. Он описал явление трансформации (превращения) пневмококков, вызывающих пневмонию, или воспаление легких. Пневмококки при выращивании на твердой агаровой среде образуют два типа колоний - с "оболочкой" и без нее. Первые оказались смертельными для мышек, а вторые - безвредными. Однако если "оболочечные" микроорганизмы убить путем прогревания, а потом смешать с безвредными, то некоторые ранее безвредные станут опасными. На семь лет раньше такое же явление обнаружил у брюшнотифозной палочки молодой советский ученый Л.А. Зильберг.

Но ведь нагревание "убивает" белки - попробуйте вылить белок яйца в кипяток или на разогретую сковородку. Он коагулирует, т.е. свернется, и станет из прозрачного белым. Свои биологические функции коагулированный белок выполнять уже не может. А какие биологические функции имеет белок? И что думали о роли белков раньше, во времена Гриффита и Фельгена?

Мы знаем, что белки выполняют функции ферментов, ускоряя протекание реакций в миллиарды раз. Но в начале века им отводили роль не только биологических катализаторов, но и генетических хранителей наследственности, белкам приписывали функции носителей информации. Эта преувеличенная оценка роли белков помешала своевременно осознать значение работ Фельгена. Но это было время великих прозрений и гениальных гипотез. Достаточно вспомнить Н.К. Кольцова, который еще в 1927 г. постулировал наличие в клетках "гигантских наследственных молекул" и комплементарного, так называемого матричного, синтеза, но... белкового! Он считал, а вместе с ним и все остальные, что ген представляет собой гигантскую молекулу, на которой, как на матрице в типографии, "печатается" другая белковая молекула. И никто не предполагал, что в белковом синтезе есть промежуточные участники. Постепенно накапливались факты, противоречившие этой красивой гипотезе.

3-й ученик. Т.Г. Морган изучал зоологию морских беспозвоночных и исследовал процессы их размножения. Поэтому вполне логично, что он увлекся вопросами наследования тех или иных признаков и поставил себе цель узнать, где покоятся "факторы наследственности", как назвал их Грегор Мендель, аббат из г. Брно, изучавший в 60-х гг. прошлого века наследование признаков у гороха.

В 1910 г. Морган переключил свое внимание на плодовую мушку дрозофилу. Ее научное название переводится на русский язык как "любительница винограда", потому что она очень хорошо размножается в лабораторных условиях, питаясь виноградом или виноградным сиропом. Уникальной особенностью дрозофилы является то, что ядра ее клеток содержат всего четыре пары хромосом. Именно в хромосомах находится нуклеиновая кислота, которая окрашивается в розовый цвет в реакции Фельгена.

Сотрудник лаборатории Моргана У. Саттон показал, что поведение хромосом при делении клеток дрозофилы соответствует поведению "факторов наследственности" Менделя, и это лишний раз убедило Моргана в правильности избранного пути. Так родилась хромосомная теория наследственности, которая гласит, что гены, или наследственные факторы, как упорно продолжал называть их Морган, локализуются в хромосомах, передаваясь от поколения к поколению с половыми клетками - спермиями и яйцеклетками. За эту теорию в 1933 г. Моргану присудили Нобелевскую премию в области медицины.

Хромосомная теория Моргана поставила перед наукой неразрешимую для того времени задачу. Морган утверждал, что гены постоянны и неизменны, но практика говорила об обратном: все в живом мире находится в процессе постоянного изменения. Никто не может отрицать, что биосфера эволюционирует, т.е. изменяется. Возникает вопрос: как, за счет чего происходят эти изменения?

Гуго де Фриз, крупный голландский исследователь начала века, открыл мутации - наследуемые изменения, передающиеся от поколения к поколению. Но, возражал Морган, посмотрите на менделевские признаки и распределение их в поколениях гороха - одни из них вроде бы пропадают у гибридов первого поколения, но потом, во втором поколении, проявляются вновь - у четверти потомков внучатого поколения. О стабильности и наследуемости при изменении признаков свидетельствовал и открытый Вавиловым закон гомологических рядов изменчивости, согласно которому признаки родственных организмов изменяются в одном направлении, т.е. параллельно. Признаки изменяются одинаково у видов одного и того же рода, а также у видов тех родов, которые близки по своему происхождению.

В то время в жарких спорах и дискуссиях рождалась новая физика - квантовая. В 1921 г. Нобелевскую премию по физике получил А. Эйнштейн, создавший общую теорию относительности. За три года до этого Нобелевскую премию получил М. Планк, который ввел само понятие кванта. Через год за премией приехал в шведскую столицу Н. Бор, провозгласивший основные постулаты квантовой физики. Следующее десятилетие прошло под триумфальным знаменем нового, революционного мышления в физике. В начале 30-х гг. физика уже почувствовала в себе достаточно сил для вторжения в ранее заповедную для нее область наук о жизни.

После первой мировой войны успехи органической химии позволили синтезировать продукты, которые ранее получали только из естественных источников. В 1922 г. был получен первый высокомолекулярный полимер - синтетический каучук, по своим свойствам мало отличавшийся от природного. Немецкий ученый Г. Штаудингер опубликовал в том же году статью, в которой говорил о "макромолекулярной ассоциации", то есть соединении молекул в большие - "макро-" - комплексы, характерные для живых клеток. Еще через два года он дает новое определение макромолекул: "Это такие комплексы, в которых огромная молекула идентична первичным частицам-мономерам, другими словами, мы предлагаем термин "макромолекула" для обозначения молекулы, в которой одиночные атомы связаны вместе нормальными валентными связями".

Штаудингеру никто не поверил. Доказывая свою правоту, он пытался рассмотреть макромолекулу сначала в ультрафиолетовом свете, а затем и в электронном микроскопе. Но для того чтобы увидеть молекулы белков и нуклеиновых кислот, которые относятся к макромолекулам, были необходимы увеличения, тогда еще недостижимые. Тем не менее в своей лекции, прочитанной в 1936 г. в Мюнхене, Штаудингер впервые говорит о "макромолекулярной химии" и дает следующее определение гена: "Каждая генная макромолекула обладает четко определенным структурным планом, который и предопределяет его жизненную функцию".

4-й ученик. В Копенгагене в своем институте теоретической физики Н. Бор тоже задумывался над проблемой жизни. В 1932 г. он прочитал перед своими учениками, среди которых были такие выдающиеся ученые, как Г. Гамов, Л. Ландау, В. Паули, В. Гейзенберг, лекцию "Свет и жизнь". В этой лекции Бор говорил, что в конечном итоге жизненные процессы удастся свести к элементарным актам квантовой физики.

Лекцию Н. Бора внимательно слушал молодой 26-летний немецкий физик Макс Дельбрюк. В университете он занимался астрономией, но постепенно его захватила молодая и бурно развивающаяся квантовая физика, в результате чего он и попал на лекцию Бора. Вернувшись в Берлин, Дельбрюк решил заняться изучением "элементарных актов". Вечерами, приходя с работы, он стал разбираться в том, что такое жизнь. Запутавшись в противоречивых теориях, он обратился за помощью к Н.В. Тимофееву-Ресовскому и К. Циммеру. Собираясь втроем, они обсуждали интересующие их проблемы.

И вот в 1935 г. на свет появилась знаменитая "статья тройки", в которой говорилось, что ген состоит не из белка. Но тогда из чего же? На этот вопрос авторы ответить не могли, да и не ставили в этой статье такой цели - она была несвоевременна. К тому же их временный коллектив практически тут же распался. М. Дельбрюк получил стипендию Рокфеллеровского фонда и уехал в США, где начал работать недалеко от Моргана, в Пасадене. Там Дельбрюк встретился с Л. Полингом - великим исследователем белка, и в 1940 г. они опубликовали статью о принципе комплементарности строения белковых живых молекул. ("комплементом", или "комплиментом", в средние века называли дань, которую вассалы выплачивали своему сюзерену. В науке утвердилось написание этого слова с корневым "е". В жизни имеется очень много примеров комплементарности, например, две ладони, древнекитайские символы мужского и женского начал "инь" и "янь", гнезда розетки и штырьки вилки). Вся наука руководствовалась тогда этим принципом, называемым также принципом дополнительности и впервые использованным Н. Бором при объяснении квантовых явлений.

Потом Дельбрюк перебрался на остров Лонг-Айленд, лежащий в океане неподалеку от Манхэттена. К нему присоединился молодой итальянский врач-рентгенолог С. Луриа. Они организовали знаменитую "фаговую школу". Фагами, или, по-другому, бактериофагами, называют вирусы бактерий. Атакуя бактерию, фаг прикрепляется к ее поверхности, проникает внутрь, размножается в клетке бактерии и убивает, как бы поедает ее (название фаг образовано от греческого fagein - поедать, пожирать). В 1942 г.М. Дельбрюк и Т. Андерсон впервые увидели фаги в совершенно новый для того времени электронный микроскоп. Луриа часть работы проводил в Рокфеллеровском институте в Нью-Йорке, где встречался с Левеном, который по-прежнему был уверен, что нуклеиновая кислота имеет монотонную структуру, нуклеотиды ее расположены в повторяющейся последовательности А-Г-Т-Ц-А-Г-Т-Ц-А-Г-Т-Ц и т.д. Какую информацию может нести такая монотонная структура? А в это время по другую сторону Атлантического океана, в Европе, бушевала кровопролитная война. На Британских островах появлялось все больше беженцев, пытавшихся спастись от фашистов. Среди них был Э. Шредингер, поэт и физик-теоретик, получивший Нобелевскую премию в 1933 г. Он преподавал физику в колледже ирландской столицы (г. Дублин). Летом 1943 г. он прочитал курс лекций, который затем оформил в виде книги "Что такое жизнь c точки зрения физика". Название говорит само за себя. Авторитет Шредингера был настолько велик, что многие физики обратили внимание на эту книгу, которую в другом случае они могли бы просто не заметить. Среди этих читателей был и Ф. Крик из Кембриджа. Потом он написал, что книга Шредингера оказала большое влияние на "многих, кто пришел в биологию из физики сразу же после войны".

В Америке книжку прочитал молодой аспирант С. Лурии. Это был талантливый биолог из американской глубинки, который окончил университет штата Индиана в 18 лет, занимался изучением птиц, а потом, услышав лекции Лурии по фагам, круто изменил область своих научных интересов и пришел в "фаговую школу". Звали этого бывшего орнитолога Джеймс Уотсон. Позже он вспоминал, что, прочитав книгу Шредингера, "загорелся мечтой узнать, что такое ген!"

1-й ученик. В 1943 г. произошло эпохальное событие - была определена химическая природа гена! Произошло это в Лаборатории пневмонии, руководителем которой был Освальд Эйвери. Эйвери начал заниматься пневмококками в 1917 г. В 1928 г. он прочитал статью Ф. Гриффита и сразу же поручил своим сотрудникам проверить данные англичанина о трансформации безвредных пневмококков в опасные, вирулентные. Результаты подтвердились, более того, трансформацию пневмококков можно было осуществлять даже в пробирке, что сразу же облегчило задачу изучения этого молекулярного явления. А в том, что это было молекулярное явление, Эйвери не сомневался. С М. Маккарти и К. Маклеодом он наконец доказал, что за трансформацию ответственна кислота дезоксирибозного типа, о чем они и сообщили в статье, вышедшей в свет 4 февраля 1944 г. Этот день можно считать днем рождения дезоксирибонуклеиновой кислоты, ДНК, для биологической науки. Стало ясно, что ген - это ДНК!

Однако это величайшее открытие, положившее начало новому направлению развития биологии, в то время прошло незамеченным. С. Луриа позже писал: "Мне до сих пор мучительно вспоминать о том, как в статье 1951 г. (то есть больше чем через шесть лет после эпохальной статьи Эйвери, Маккарти и Маклеода) я выдвигал предположение, что генетическим материалом у бактериофагов служит белок. И это за несколько месяцев до того, как А. Херши и М. Чейз сообщили о своих блестящих экспериментах, доказавших, что геном (совокупность генов) фага представляет собой ДНК!" Что же это были за блестящие эксперименты?! К середине столетия физики снабдили биологов радиоактивными изотопами, которые позже назвали радионуклидами, то есть элементами с радиоактивными ядрами. Для проведения решающих экспериментов и окончательного выяснения роли ДНК и белка в метаболизме клетки удобно пользоваться изотопами фосфора и серы, так как в ДНК нет серы, а в белках - фосфора.

Мы уже говорили, что М. Дельбрюк и Т. Андерсон впервые увидели фаги в новом, незадолго до того сконструированном физиками электронном микроскопе, который по сравнению со световым микроскопом дает увеличение в сотни раз большие. На экране были видны фаги, облепившие бактериальную клетку. (Э. Рушка получит премию за изобретенный им электронный микроскоп только в 1986 г. - через 55 лет после его создания!) И вот Херши и его сотрудница Марта Чейз решили посмотреть, как будут вести себя меченные с помощью радиоактивной серы и фосфора белки и ДНК фага. Оказалось, что в клетку микроорганизма проникает только ДНК фага, а вся его белковая оболочка остается снаружи.

Это была революция в биологии. И ее знаменосцем в Европе стал Дж. Уотсон, которого С. Луриа послал в Кембридж в знаменитую лабораторию молекулярной биологии. В отделе М. Уилкинса кристаллы ДНК "рассматривали" под рентгеном, чтобы понять, как она устроена. К тому времени было известно, что ДНК имеет молекулярный вес до 1 млн Д, то есть является макромолекулярным природным полимером, мономером которого был нуклеотид, "разобранный" на части Левеном.

Э. Чаргафф из Колумбийского университета в Нью-Йорке установил поразительный факт: в ДНК число А равнялось числу Т, а Г - Ц! Было такое впечатление, что А и Т, Г и Ц "ходят парами". Сам Чаргафф описывал то время довольно юмористически: "В Кембридже я был озадачен при первой встрече с двумя энтузиастами (имеются в виду Уотсон и Крик), которые пытались уложить нуклеотидную цепь в спираль (двойная спираль возникла после того, как я рассказал им о наших результатах), не потрудившись узнать строение соединений, из которых эта спираль должна состоять".

2-й ученик. Там же, в лаборатории Уилкинса, работала Розалинд Франклин, которая нетерпеливому Уотсону казалась "синим чулком".Р. Франклин бросила размеренную академическую жизнь в Париже и перебралась в Кембридж, чтобы исследовать структуру ДНК под рентгеном. Она и Уилкинс всегда расходились во мнениях: Уилкинс говорил всем, что, согласно его данным, ДНК представляет собой спираль, а Франклин утверждала обратное.

Тем не менее именно результаты, полученные Р. Франклин, сыграли решающую роль в прозрении Уотсона. В этот момент они с Криком "сражались" с незадолго до того предложенной Л. Полингом моделью трехцепочечной ДНК. И вот из разговора с Уилкинсом Уотсон узнает о другой, отличной от А - и В-форм, ДНК, которую получила на своих рентгенограммах Р. Франклин. Это стало последней каплей: "И вдруг я заметил, что пара аденин-тимин, соединенная водородными связями, имеет точно такую же форму, как и пара гуанин-цитозин (то есть они друг другу комплементарны).

"Мы предлагаем вашему вниманию структуру ДНК, имеющую некоторые основные свойства, которые представляют значительный биологический интерес..." Так начиналась статья Уотсона и Крика в номере международного научного журнала "Nature" от 27 апреля 1953 г. В этой статье они предлагали модель двухцепочечной спирали ДНК, похожей на винтовую лестницу, ступеньками которой являются комплементарные пары А-Т, Г-Ц. "Перилами" лестницы служат молекулы сахара дезоксирибозы, а соединяются нуклеотиды в цепочку при помощи фосфорной кислоты.

В 1962 г. Уотсон, Крик и Уилкинс за свое открытие были удостоены Нобелевской премии по медицине.Р. Франклин, к сожалению, к этому времени умерла от рака, а посмертно Нобелевская премия не присуждается.

"Здесь, в Кембридже, произошло, быть может, самое выдающееся после книги Дарвина событие в биологии - Уотсон и Крик раскрыли структуру гена!" - писал в Копенгаген Нильсу Бору его бывший ученик М. Дельбрюк.

Теперь очередь была за изучением биологии гена. Для этого прежде всего надо было установить соответствие между структурами ДНК и белков. В этой связи нельзя не упомянуть имя Фредерика Сэнгера. Этот английский ученый первым установил первичную структуру (последовательность аминокислот) белка инсулина и разработал метод для определения последовательности нуклеотидов в ДНК. За эти научные достижения он получил две Нобелевские премии по химии (в 1958 и 1980 гг.). Заметим, что Нобелевская премия за всю ее историю присуждалась дважды всего четыре раза: Марии Кюри (в 1903 г. - по физике, в 1911 г. по химии), Лайнусу Полингу (в 1954 г. по химии, в 1962 г. - Нобелевская премия мира), Джону Бардину (в 1956 и 1972 гг. - обе по физике) и Фредерику Сэнгеру.

Если нуклеиновые кислоты определяют наследственность, то они должны играть первостепенную роль в биологической эволюции. С этой проблемой тесно связана и проблема происхождения жизни. Могли ли нуклеиновые кислоты образоваться из более простых соединений и, следовательно, стать основой для возникновения первобытных форм жизни? В 1955 г. Северо Очоа получил РНК путем синтеза из нуклеиновых оснований, а в 1956 г. Артур Корнберг таким же образом синтезировал ДНК. ДНК, синтезированная Корнбергом, была неотличима от естественной, но не обладала никакой биологической активностью. За работы по синтезу нуклеиновых кислот Очоа и Корнберг получили Нобелевскую премию в 1959 г.

Глава 3. Тестовые задания по теме: "нуклеиновые кислоты"

I. Что такое денатурация белка?

Какие факторы вызывают денатурацию?

II. Напишите уравнение образование дипептида из следующих аминокислот:

III. Рассмотрите строение нуклеотидов на рисунке.

Напишите, что обозначают цифры 1-3 для: а) ДНК; б) РНК.

IV. Выберите правильные ответы.

1. Аминокислоты отличаются друг от друга химическим строением:

а) аминогруппы;

б) карбоксильной группы;

2. Вторичную структуру белка поддерживают связи:

а) водородные;

б) гидрофобные;

3. Мономерами белка являются:

а) нуклеотиды;

б) пептиды;

V. Дайте определение терминам:

а) мономер - это________________________;

б) макромолекула- это____________________;

VI. Каково значение воды для организма?